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非靶向合集 | 麦特绘谱非靶向代谢组学项目文章集

麦特绘谱

2023.1.05

非靶向代谢组学（Untargeted Metabolomics）主要是利用色谱-质谱联用技术，结合自建数据库或公共数据库对样本中代谢物进行搜库定性和相对定量的代谢组学方法，具有高通量、广覆盖的特点。非靶向主要研究思路是对对照组和处理组中检测到的代谢物通过单维和多维统计方法筛选出差异代谢物，再进行代谢通路分析，结合后续验证实验进而阐明代谢和表型的因果关系，或筛选出可用于临床疾病早筛、诊断、预后的生物标志物（Biomarker）。

截至2022年12月，麦特绘谱非靶向代谢组学技术已协助客户在Immunity、Nature Communications、Advanced Science、Science Advances、Hepatology、Signal Transduction and Targeted Therapy等期刊发表70余篇SCI文章，涵盖乳腺癌、骨髓瘤、结直肠癌、肝癌、胃癌、肺癌、心肌病、肾病等多种临床疾病、中药、免疫、运动、环境毒理、植物等研究领域，以下展示部分代表性客户文章成果。

拟素化修饰调控乳腺癌细胞谷氨酰胺吸收和代谢

题目：Neddylation inhibition induces glutamine uptake and metabolism by targeting CRL3SPOP E3 ligase in cancer cells

发表期刊：Nature Communications，IF= 17.694

发表时间：2022.05

合作单位：浙江大学医学院附属第二医院肿瘤研究所

研究思路：

1. 非靶向代谢组学分析发现拟素化修饰整体调控肿瘤细胞代谢，其中谷氨酰胺代谢变化最为显著。

2. 细胞实验表明，阻断拟素化修饰后，肿瘤细胞谷氨酰胺吸收及其代谢显著增加，且仅有谷氨酰胺转运体ASCT2/SLC1A5水平增高；增高的ASCT2促进细胞谷氨酰胺吸收及其代谢，维持细胞存活。

3. 机制探究，E3泛素连接酶SPOP促进ASCT2蛋白的K48连接的多聚泛素化降解，降低其稳定性；谷氨酰胺调节SPOPS及ASCT2的水平。体内/体外实验证实SPOP-ASCT2轴可调控乳腺癌细胞生长。

4. 功能验证，通过体内/体外靶向拟素化通路和谷氨酰胺代谢可增强细胞杀伤力。

5. 人群验证，对人体乳腺癌肿瘤组织样本SPOP和ASCT2表达进行分析，发现相比癌旁组织，癌组织中谷氨酰胺浓度降低，谷氨酸浓度升高，表明谷氨酰胺代谢增强。

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线粒体复合物Ⅱ组装在扩张型心肌病发生中的重要机制

题目：Cardiac disruption of SDHAF4-mediated mitochondrial complex II assembly promotes dilated cardiomyopathy

发表期刊：Nature Communications，IF= 17.694

发表时间：2022.07

合作单位：康复大学，西安交通大学

研究思路：

1. 首先验证线粒体呼吸复合物II（又称琥珀酸脱氢酶，SDH）的组装是否参与调控心肌功能，研究发现心肌梗死 (MI) 小鼠模型中SDH的组装因子SDHAF4表达调控最为敏感。

2. 心肌特异性SDHAF4敲除提示，Sdhaf4缺失会导致小鼠心脏异常和致死；结合转录组学分析表明心肌线粒体代谢异常可能是心脏发病机制的关键过程之一。

3. 机制探讨，非靶向代谢组学与体内体外实验分析发现Sdhaf4缺失扰乱心肌内线粒体代谢，SDH底物富马酸显著降低，导致动力蛋白（Drp1）激活，诱导心肌线粒体过度自噬，最终导致扩张型心肌病（DCM）和心衰致死。

4. 线粒体的靶向干预验证，通过口服SDH产物富马酸或腹腔注射DRP1抑制剂干预，显著改善了MI模型小鼠和Sdhaf4缺失小鼠心脏功能，缓解DCM症状，延长其寿命。

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阻断甘氨酸利用可抑制多发性骨髓瘤进展

题目：Blocking glycine utilization inhibits multiple myeloma progression by disrupting glutathione balance

发表期刊：Nature Communications，IF= 17.694

发表时间：2022.07

合作单位：中南大学湘雅医院

研究思路：

1. 代谢组学分析发现多发性骨髓瘤（MM）患者骨髓微环境中独特的氨基酸代谢失衡，尤其甘氨酸浓度与临床病程呈显著正相关。

2. 体内体外验证，外源性剥夺甘氨酸均可抑制MM细胞生长。

3. 代谢流实验分析发现甘氨酸代谢产生的谷胱甘肽（GSH）支持MM细胞的增殖，敲低甘氨酸脱羧酶可阻碍MM细胞增殖。

4. 体内外功能实验发现剥夺甘氨酸可增强MM细胞对硼替佐米的敏感度，敲低SLC6A9或甜菜碱处理可阻断MM细胞对甘氨酸的利用，并达到阻碍其增殖和增强硼替佐米对MM细胞的药效，表明甘氨酸主要通过调节MM细胞内还原型谷胱甘肽平衡促进MM进展和耐药。

5. 人群验证，MM患者体内，MM细胞分泌的金属基质蛋白13（MMP13）促进骨骼胶原降解，进而导致甘氨酸浓度升高。

隔日断食促健康：靶向肝脏线粒体复合物II的代谢益处

题目：Hepatic Suppression of Mitochondrial Complex II Assembly Drives Systemic Metabolic Benefits

发表期刊：Advanced Science，IF=17.521

发表时间：2022.01

合作单位：西安交通大学

研究思路：

1. 非靶向代谢组学分析发现隔日禁食（ADF）干预后小鼠氨基酸代谢发生显著变化；ADF干预诱导线粒体复合物 Ⅱ活性降低，主要归因于SDHAF4表达降低进而抑制线粒体复合物Ⅱ的组装。

2. 探索肝脏SDHAF4介导的复合物Ⅱ功能障碍对代谢的影响，小鼠肝脏特异性Sdhaf4敲除可抑制线粒体复合物II，但不影响表型。检测小鼠血脂、空腹血糖、葡萄糖耐量、胰岛素敏感性等临床指标，提示Sdhaf4敲除提高小鼠全身代谢敏感性。

3. 线粒体复合物Ⅱ还参与 TCA 循环和电子传递链，肝脏代谢组学分析发现抑制复合物Ⅱ组装可促进氨基酸代谢-激活精氨酸生物合成通路以维持富马酸水平，从而维持体内TCA代谢功能；血清代谢组学分析及细胞实验表明，肝脏SDHAF4-精氨酸轴驱动一氧化氮（NO）产生并通过 cGMP 信号靶向外周组织以增强胰岛素敏感性。

4. 明确NO来源，细胞实验显示NOS3抑制剂显著抑制胰岛素诱导的Akt磷酸化，随后构建肝脏Nos3敲除小鼠，并进行ADF干预，结果表明肝脏NOS3 影响NO循环水平，SDHAF4-精氨酸-NO轴是调节ADF介导的代谢益处的潜在机制。

5. 构建肝脏Sdhaf4过表达小鼠，并进行ADF干预，发现肝脏Sdhaf4过表达显著抑制ADF干预小鼠全身胰岛素敏感性的提高，表明抑制肝脏复合物Ⅱ组装可能是改善代谢能力的潜在策略。

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SIRT2缺乏可降低糖酵解通量抑制葡萄糖诱导的胰岛素分泌

题目：SIRT2 ablation inhibits glucose-stimulated insulin secretion through decreasing glycolytic flux

发表期刊：Theranostics，IF=11.556

发表时间：2021.03

合作单位：上海交通大学附属瑞金医院

研究思路：

1. 首先构建SIRT2 敲除(KO)大鼠评估SIRT2在葡萄糖稳态中的作用，发现SIRT2-KO大鼠表现出糖耐量和葡萄糖刺激的胰岛素分泌（GSIS）受损，胰岛素敏感性未改变。

2. 利用胰岛细胞评估SIRT2敲除对胰岛功能的影响，发现SIRT2缺失或AGK2抑制使离体大鼠胰岛GSIS降低，耗氧率降低；SIRT2过表达可增加胰岛素分泌。

3. 胰岛细胞非靶向代谢组学分析SIRT2调控的分子途径，发现SIRT2-KO胰岛的糖酵解和TCA循环代谢产物减少。

4. 深入探究SIRT2作用机制，发现葡萄糖激酶调节蛋白(GKRP，葡萄糖激酶GCK的内源性抑制剂)在大鼠胰岛中表达，SIRT2过表达使INS-1β-细胞中GKRP去乙酰化；敲除或抑制SIRT2可提高胰岛β细胞中GKRP蛋白的稳定性，导致GKRP和GCK的相互作用增加。相反，抑制SIRT2促进了糖酵解酶ALDOA的蛋白质降解。

靶向葡萄糖利用，改善结直肠癌治疗效果

题目：GLUT3 induced by AMPK/CREB1 axis is key for withstanding energy stress and augments the efficacy of current colorectal cancer therapies

发表期刊：Signal Transduction and Targeted Therapy，IF=38.104

发表时间：2020.09

合作单位：复旦大学附属肿瘤医院

研究思路：

1. 首先发现GLUT3在结直肠癌（CRC）中高表达，并与CRC患者的不良预后显著相关，而GLUT1与CRC预后无相关性。

2. 通过多种实验手段证实，GLUT3介导的葡萄糖利用可以在低糖环境中促进肠癌细胞生长。

3. 非靶向代谢组学分析，发现CRC异种移植的代谢发生改变，主要包括葡萄糖、丙酮酸、乳酸和许多核苷酸的水平；同位素标记代谢流示踪分析发现葡萄糖经GLUT3介导进入肠癌细胞后，被优先用于核苷酸的合成，以促进肠癌细胞的快速生长。

4. 机制探究，低糖环境下AMPK激酶活性被显著激活，进而活化下游的CREB1转录因子；活化的CREB1可进一步上调GLUT3的表达水平，增强肠癌细胞在低糖环境下的利用能力。

5. GLUT3高表达显著增强细胞对维生素C杀伤作用的敏感性，为临床指导维生素C的转化应用提供了重要依据。

PGC1α抑制肝癌转移的分子机制

题目：PGC1α suppresses metastasis of HCC by inhibiting Warburg effect via PPARγ-dependent WNT/β-catenin/PDK1 axis

发表期刊：Hepatology，IF=17.298

发表时间：2020.04

合作单位：上海交通大学附属仁济医院

研究思路：

1. 首先发现过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助激活因子1α（PGC1α）在人类肝细胞癌中表达下调，低水平的PGC1α表达与较差的存活率、血管侵犯和较大的肿瘤相关。

2. 体外实验和体内裸鼠模型中均显示出PGC1α抑制肝癌细胞的迁移和侵袭。

3. 机制探究，联合转录组学和代谢组学分析发现，PGC1α通过WNT/β-catenin途径介导的丙酮酸脱氢酶激酶同工酶1（PDK1）的下调抑制了“Warburg”效应，并且PPARγ的激活介导了PGC1α对WNT/β-catenin途径的抑制。

肠道菌群与代谢促进多发性骨髓瘤发病机制研究

题目：Alterations of gut microbiome accelerate multiple myeloma progression by increasing the relative abundances of nitrogen-recycling bacteria

发表期刊：Microbiome，IF=16.837

发表时间：2020.05

合作单位：中南大学湘雅医院

研究思路：

1. 首先对来自健康对照和初诊MM患者的粪便样本进行宏基因组测序，发现氮循环微生物显著富集于MM样本，如：Klebsiella和Streptococcus；血清非靶向代谢组学与宏基因组关联分析发现差异微生物与宿主血清差异代谢物显著相关。

2. 粪菌移植实验，移植来自MM患者粪菌的小鼠MM肿瘤进程显著加快，在小鼠的骨髓、血清、盲肠内容物中都检测到更高浓度的谷氨酰胺；单菌移植，移植wild-type Klebsiella pneumoniae的5TGM1小鼠MM肿瘤进程更快。

3. 代谢物干预实验，首先NH4⁺或尿素的灌胃后，肠道菌群可用于谷氨酰胺从头合成，进而促进小鼠MM进程；喂食谷氨酰胺缺失饲料的5TGM1，小鼠MM肿瘤进程得到缓解。

运动产生的α-KG通过OXGR1刺激肌肉肥厚和脂肪分解

题目：Exercise-induced a-ketoglutaric acid stimulates muscle hypertrophy and fat loss through OXGR1-dependent adrenal activation

发表期刊：EMBO Journal，IF=14.012

发表时间：2020.02

合作单位：华南农业大学

研究思路：

1. 非靶向代谢组学分析发现小鼠进行运动后血清代谢物发生改变，其中α-酮戊二酸（AKG）显著富集；给予饮食诱导的肥胖（DIO）小鼠AKG处理，提示AKG可预防HFD引起的体重增加和两性脂肪组织扩张。

2. 通过系列实验探究AKG对DIO的保护机制，表明AKG可以刺激BAT热生成和脂肪代谢，从而促进能量消耗预防DIO，肾上腺发挥中介作用；功能丧失和功能获得模型证实肾上腺2-酮戊二酸受体1（OXGR1）是AKG诱导的脂解和产热的关键介质。

3. 体外细胞RNA测序发现AKG诱导NF-κB活化，进一步敲低OXGR1证实p65/NF-κB炎症通路介导AKG对嗜铬细胞E释放的刺激作用。

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肝细胞癌中miR-192-5p抑制糖酵解和肿瘤干性机制

题目：Loss of miR-192-5p initiates a hyperglycolysis and stemness positive feedback in hepatocellular carcinoma

发表期刊：Journal of Experimental & Clinical Cancer Research，IF=12.658

发表时间：2020.11

合作单位：浙江大学

研究思路：

1. 两个独立的HCC患者队列中，发现miR-192-5p低表达组和多组肿瘤干细胞（CSC）阳性表达组中，糖酵解相关代谢物和基因均呈现显著高水平表达。

2. 构建miR-192-5p敲除细胞，发现miR-192-5p的缺失导致肿瘤干性和糖酵解增强，进一步发现细胞通过增加利用其环境中的葡萄糖来确保高糖酵解状态。

3. 机制研究发现，miR-192-5p的缺失通过上调GLUT1和PFKFB3（两种糖酵解酶）和c-Myc（调节糖酵解基因的表达）增强糖酵解水平。同时，c-Myc可以抑制miR-192-5p的转录表达，从而确保了低miR-192-5p /高c-Myc轴来维持HCC细胞持续增强的糖酵解水平。

4. 糖酵解的终产物乳酸有何作用？研究证实高糖酵解的HCC细胞产生过量的乳酸，部分通过NDRG3和MCT1激活了共培养的LX2（人源肝星状细胞系）和THP1（人源单核细胞系）的ERK磷酸化，进而促进了HCC细胞的肿瘤干性。

5. 上述数据与HCC病人临床特征一致，肿瘤组织中miR-192-5p表达水平低，而非肿瘤组织中NDRG3或MCT1水平高的HCC患者，其总生存期最短。

lnc-Dpf3抑制CCR7介导的树突状细胞迁移

题目：CCR7 Chemokine Receptor-Inducible lnc-Dpf3 Restrains Dendritic Cell Migration by Inhibiting HIF-1α-Mediated Glycolysis

发表期刊：Immunity，IF=43.474

发表时间：2019.04

合作单位：海军军医大学

研究背景：

表观遗传途径在生理过程调节中具有重要作用，长链非编码RNA（lncRNA）以谱系或信号依赖等方式调节免疫应答，而探索lncRNA如何与代谢途径相互作用来调节炎症反应，对深入理解免疫和炎症的分子机制至关重要。

研究结果：本研究通过非靶向代谢组学分析、生化研究和功能研究，鉴定了一种CC-趋化因子受体7（CCR7）诱导的长链非编码RNA（lncRNA; lnc-Dpf3），其通过直接结合和抑制HIF-1α活性来抑制糖酵解，从而抑制CCR7介导的树突状细胞（DC）迁移。在CCR7刺激后，lnc-Dpf3在后期的DC中明显上调。同时，lnc-Dpf3在接触性过敏（CHS）反应后期抑制DC迁移，防止过度炎症反应的发生。

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肺癌中果糖代谢通路的促癌机制

题目：GLUT5-mediated fructose utilization drives lung cancer growth by stimulating fatty acid synthesis and AMPK/mTORC1 signaling

发表期刊：JCI Insight，IF=9.484

发表时间：2020.02

合作单位：上海中医药大学附属龙华医院、上海市中医药研究院中医肿瘤研究所

研究思路：

1. 首先对肺癌患者的组织样本进行非靶向代谢组学分析，发现肺癌组织中有高度活跃的果糖代谢活性。在体内代谢养分共存的情况下，肺癌细胞通过上调GLUT5（Glucose transporter 5，由溶质载体家族2成员5（SLC2A5）编码）表达来利用果糖作为葡萄糖替代能源。

2. 利用同位素标记的代谢流示踪技术，发现果糖分解代谢促进了脂肪酸合成和棕榈油酸的产生，从而加速体内肺癌的恶性生长。而体外和体内补充棕榈油酸均可恢复SLC2A5缺失引起的肺癌增殖受损。

3. 分子机制研究表明，GLUT5介导的果糖代谢通路通过抑制AMPK活性，进而激活mTORC1活性促进肺癌细胞生长。GLUT5抑制剂阻断对体内果糖的利用从而显著抑制肺癌生长。

脯氨酸代谢介导非小细胞肺癌进展

题目：Cancer progression is mediated by proline catabolism in non-small cell lung cancer

发表期刊：Oncogene，IF=8.756

发表时间：2020.03

合作单位：中南大学湘雅医院

研究思路：

1. 首先通过非靶向代谢组学分析发现脯氨酸代谢在非小细胞肺癌进展中起着重要作用。

2. 进一步研究揭示染色质重构因子淋巴特异性解旋酶（LSH）以p53依赖的方式调控脯氨酸脱氢酶（PRODH）水平，并发现PRODH通过诱导上皮细胞间质转型（EMT）和IKKα依赖炎症基因诱导NSCLC发展。而脯氨酸代谢通过IKKα方式引起炎症因子的PRODH依赖性调节。

3. 补充脯氨酸可促进炎症基因（包括CXCL1、LCN2和IL17C）和EMT的表达、体外肿瘤细胞增殖和转移，体内肿瘤生长，而抑制PRODH可阻断这些表型。

围产期奶牛代谢紊乱症的无创诊断标记物

题目：Multi-Channel Metabolomics Analysis Identifies Novel Metabolite Biomarkers for the Early Detection of Fatty Liver Disease in Dairy Cows

发表期刊：Cells， IF=7.666

发表时间：2022.09

合作单位：山东农业大学

研究思路：

研究结果：

研究人员经过多年的产业追踪与调研，收集围产期发生（重度）脂肪肝奶牛的多类样本（血、尿和粪便），经非靶向代谢组学分析，发现脂肪肝奶牛的机体代谢伴随着能量利用障碍、氧化应激和炎症，并在血清、尿液和粪便中发现显著变化的代谢物。

病牛血清中丝氨酸、天门冬酰胺、棕榈油酸、硬脂酸等，粪便中的氨基丁酸和山嵛酸，尿液中的酪氨酸都发生显著变化；经过第三群体验证发现这些标记物的重现性很高。提示上述代谢物可作为诊断围产期奶牛发生脂肪肝及相关代谢疾病的标记物，尤其是粪、尿代谢标记物（氨基丁酸、山嵛酸和酪氨酸）可作为无创诊断的新型代谢标志物。

肠道菌群代谢物吲哚-3-丙酸介导桑树中脱氧野尻霉素的抗高脂血症作用

题目：The Gut Microbiota-Produced Indole-3-Propionic Acid Confers the Antihyperlipidemic Effect of Mulberry-Derived 1-Deoxynojirimycin

发表期刊：mSystems， IF=7.324

发表时间：2020.10

合作单位：浙江农业科学院

研究思路：

1. 饮食诱导高血脂和高血糖小鼠模型，桑叶提取物（MLE）和脱氧野尻霉素（DNJ）治疗对糖尿病小鼠高脂血症尤其是高胆固醇血症具有性别特异性保护作用。通过对脂质相关基因分析发现，DNJ降脂作用的性别依赖可能归功于抑制肝脏脂肪生成基因的表达。

2. 16S测序分析表明，DNJ处理性别特异性地改变了肠道菌群结构，包括雌鼠中Akkermansia和Clostridium XIVa的显著富集。

3. 非靶向代谢组学分析发现DNJ显著提高雄性和雌性小鼠吲哚-3-丙酸（IPA）水平，而后者的影响更大；菌群-代谢关联分析显示仅Clostridium XIVa和Eisenbergiella与IPA显著正相关，提示其可能是产生IPA的关键肠道细菌。

4. 体外和体内评估IPA的降脂能力，证实IPA是一种有效的降脂代谢物，可能介导DNJ的降血脂作用。

脓毒症诱导的急性肾损伤代谢标志物研究

题目：Metabolomics Analysis of the Development of Sepsis and Potential Biomarkers of Sepsis-Induced Acute Kidney Injury

发表期刊：Oxidative Medicine and Cellular Longevity，IF=7.31

发表时间：2021.04

合作单位：上海交通大学附属第六人民医院

研究思路：

1. 通过腹腔注射LPS构建脓毒症诱导的急性肾损伤（SI-AKI）大鼠模型。实验设计三组：对照组（CT），LPS处理2小时（LPS2）和LPS处理6小时（LPS6）。

2. 利用非靶向代谢组学分析，以确定脓毒症大鼠早期AKI血清代谢物水平的显著改变，发现两组间差异明显。

3. 差异代谢物通路富集分析，提示脓毒症可引起全身有氧和无氧代谢增加，氧供应和吸收受损及脂肪酸代谢异常。

4. 苹果酸、蛋氨酸亚砜和十八碳烯酸水平的变化在脓毒症的进展过程中相同。脓毒症的发生伴随着AKI的发生，这些代谢紊乱与SI-AKI的发生直接或间接相关。

更多非靶向案例

1. 肝母细胞瘤/ Theranostics. CircHMGCS1 Promotes Hepatoblastoma Cell Proliferation by Regulating the IGF Signaling Pathway and Glutaminolysis. (2019)

2. 胃癌/ Theranostics. Metabolic enzyme PDK3 forms a positive feedback loop with transcription factor HSF1 to drive chemoresistance. (2019)

3. 乳腺癌/ JCI Insight. Inhibiting neddylation modification alters mitochondrial morphology and reprograms energy metabolism in cancer cells. (2019)

4. 环境毒理/ Environmental Science-Nano. Short-term exposure to positively charged polystyrene nanoparticles causes oxidative stress and membrane destruction in cyanobacteria. (2019)

5. 药物肝损伤/ Journal of Pharmaceutical Analysis. Vancomycin pretreatment attenuates acetaminophen-induced liver injury through 2-hydroxybutyric acid. (2019)

6. 非小细胞肺癌/ Oncogene. Cancer progression is mediated by proline catabolism in non-small cell lung cancer. (2020)

7. 植物/ Food Chemistry. Proteomics and metabolomics analysis of tomato fruit at different maturity stages and under salt treatment. (2020)

8. 癌症分子诊断策略/ Chemical Science. Stimulus-responsive surface-enhanced Raman scattering: a “Trojan horse” strategy for precision molecular diagnosis of cancer. (2020)

9. 单细胞热传导/ Chem. Heat transfer and thermoregulation within single cells revealed by transient plasmonic imaging. (2021)

10. 中药抗肿瘤/ Molecular Therapy-Oncolytics. Oleanolic acid blocks the purine salvage pathway for cancer therapy by inactivating SOD1 and stimulating lysosomal proteolysis. (2021)

11. 肝癌异质性小鼠模型/ Science Advances. Liver cancer heterogeneity modeled by in situ genome editing of hepatocytes. (2022)

12. 中药药效/ Phytomedicine. Integrated hepatic single-cell RNA sequencing and untargeted metabolomics reveals the immune and metabolic modulation of Qing-Fei-Pai-Du decoction in mice with coronavirus-induced pneumonia. (2022)

13. 妊娠糖尿病/Gut microbes. Integrative metagenomic and metabolomic analyses reveal gut microbiota-derived multiple hits connected to development of gestational diabetes mellitus in humans. (2022)

14. 小儿硬纤维瘤/Biological Procedures Online. Clinical Prognostic Factors and Integrated Multi-Omics Studies Identify Potential Novel Therapeutic Targets for Pediatric Desmoid Tumor. (2022)

……

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